高鐵隧道下穿煤層采空區(qū)控制施工技術研究

余綠山

摘要：鑒于現(xiàn)有控制施工技術對頂板位移量的控制仍不夠穩(wěn)定，故需對高鐵隧道下穿煤層采空區(qū)控制施工技術進行深入研究。首先，在現(xiàn)場布設抽排水設備和管線、工作面和采空區(qū)位置。其次，計算在煤層回采過程中底板破壞程度并選定支護方案，利用錨桿與錨索協(xié)同支護提高承載能力。再次，設置臨時截排水溝進行合理有效排水，并采用5m長φ42鋼花管進行徑向注漿加固。最后，用孔口管內偏心輪跟管工藝進行注漿，根據(jù)采空區(qū)高度調整鉆孔長度。實驗結果表明，隨著采空區(qū)的高度增加，層間距能夠始終控制在8mm范圍內，說明本文設計技術的應用效果較好。

關鍵詞：高鐵隧道；穿煤層；采空區(qū)；施工

0? ?引言

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，高鐵隧道建設面臨的地質條件也日益復雜。其中，高鐵隧道下穿煤層采空區(qū)的施工技術成為一個頗具挑戰(zhàn)性的課題。煤層采空區(qū)的存在可能會引發(fā)隧道施工過程中的地質災害，如塌方、突水等，對工程建設和運營安全構成嚴重威脅。因此，開展高鐵隧道下穿煤層采空區(qū)控制施工技術研究至關重要。一般通過對采空區(qū)影響段落隧底變形進行觀測，并使用鉆頭按照具體定位進行施工，然后對采空區(qū)進行注漿加固，來準確達到施工目標。如此可以在一定程度上提升采空工作的施工速度，同時還能夠保證一定的施工安全性。

傳統(tǒng)采空區(qū)控制施工技術在大范圍煤礦中應用時，如果在施工環(huán)節(jié)中誤差過大，就會造成圍巖發(fā)生變形[1]。如果支護不及時，在頂板形成松散破碎區(qū)易發(fā)生頂板事故，導致結果難以符合預期。本文以高鐵隧道下穿煤層采空區(qū)控制施工技術為研究目標，結合實際情況進行測試與分析。

1? ?工程概況

中鐵十二局集團承建的白云山隧道位于四川省內江市資中縣境內，隧道全長13340m。全隧設置7座斜井，為高瓦斯隧道。隧道最大埋深約260m。地下水主要為基巖裂隙水，分布不均，局部可能會發(fā)生突水突泥風險。

根據(jù)地勘情況可知，威遠縣鐵爐灣頁巖礦采空區(qū)三水平運輸巷堵頭位于DK136+146左線線路中線右側約68m。DK139+525～DK140+305段處于尖山水庫影響區(qū)，在砂巖和泥巖接觸帶及砂巖段落時，水量較大，會發(fā)生涌突水問題。隧道修建過程中，水庫水和其他地表水會通過導水縫進入隧道，為此需對掌子面進行施工。施工時需要在開展綜合地質超前預測預報工作，防止采空區(qū)坍塌、突水、突泥等。

2? ?穿煤層采空區(qū)控制施工要點

2.1? ? 采空區(qū)回采巷道布置

2.1.1? ?工作面巷道布置

根據(jù)超前水平鉆孔出水情況，推測水庫水通過通道進入隧道空間的時間。根據(jù)反坡排水方案，在現(xiàn)場布設抽排水設備和管線，及時將涌水排出洞外[2]。工作面巷道布置形式如圖1所示。該工作面軌道巷位于采空區(qū)底部，靠近區(qū)段煤柱。運輸巷則位于采空區(qū)另一側。

2.1.2? ?應力控制

巷道圍巖在煤柱的支承壓力作用下，會發(fā)生應力整體集中的情況。鑒于此，需要對工作面的回采巷道出現(xiàn)煤柱的高應力進行控制，以確保巷道與上方水平距離滿足如式（1）所示的條件：

式中：v為不同煤層之間的平均間距；m為煤層厚度；α為傾斜角度；θ為支撐壓力傳遞角。通過公式（1）計算，得到工作面回采巷道與上方的距離關系，以為合理布置巷道提供基礎[3]。

通常，煤柱靠近采空區(qū)的一側會出現(xiàn)應力集中的情況，為了使煤層采空區(qū)底部的垂直應力符合要求，需要通過布置沿空留巷來保持應力，使得巷道穩(wěn)定。

依據(jù)滑移線場原理可知，在煤層回采過程中，底板的最大破壞程度t的計算如下：

式中：R為采高，H為應力集中系數(shù)，l為底板巖層的內摩擦角。通過計算，能夠得到煤層之間的厚度，前一煤層回采后，據(jù)此可以判斷另一個煤層的完整性。

2.2? ?確定支護方案

2.2.1? ?支護的作用

需針對煤層回采巷道受到破壞的類型不同，進行支護方案選定。為了避免掘進巷道時頂板冒落，要及時支護，以便有效減小空頂距離，強化圍巖初期強度，防止圍巖發(fā)生變形。同時保持整體結構的完整性，以提高承載能力[4]。通過使用錨桿，使淺部巖層形成整體穩(wěn)定的梁形結構。錨桿、錨索協(xié)同支護拱梁耦合，以增強主動支護能力。頂板破碎無法錨固時，考慮采取注漿加固，提高圍巖完整性和承載能力[5]。

2.2.2? ?支護要點

支護采用6根螺旋錨桿，頂板錨索規(guī)格為Ф15×2500，間隔兩排錨桿布置錨索。該采空區(qū)是私人老礦井，年代久遠，推測它與原聯(lián)合煤礦的采空區(qū)相連。采空區(qū)的底部距離隧道頂部約為4～6m。

根據(jù)地質勘查資料，推測采空區(qū)的洞隧道縱向分布與6#斜井小里程隧頂采空區(qū)相連，底部距離隧道頂部4.5～7m。為了確保施工和后期運營的安全，需要對頂部的采空區(qū)進行注漿加固，并調整相關的支護參數(shù)。

為確保施工安全，降低對周圍巖的擾動作用，必須采取嚴格的支護措施和合理的施工方法。同時調整采空區(qū)段落二次襯砌結構，布置防排水措施。

2.3? ?隧道頂部采空區(qū)加固施工

2.3.1? ?準備工作

在隧道頂部采空區(qū)加固施工前，首先需要進行地表預處理，清除表面的松散碎石和雜物。設置臨時截排水溝，實現(xiàn)合理有效地排水。在中線左右15m范圍內進行豎向鋼花管注漿加固。

2.3.2? ?注漿加固

在注漿過程中布設小導管，使用的注漿材料為水泥漿。通過控制水灰比來調整制漿[6]。注漿壓力范圍為0.3～

0.5MPa，具體灌漿壓力可根據(jù)現(xiàn)場灌注情況進行調整。

邊墻采用5m長Ф42鋼花管進行徑向注漿加固，交錯布置。隨著注漿壓力逐步升高，當達到終壓實時停止，并穩(wěn)定一段時間。在洞內開挖至D1K129+145之前，需要適當增加鋼拱架的高度，使其形成管棚群。采用長度為25m大管棚在拱部布置。安裝內層拱架，并將管棚外露的尾部加固在拱架外側。

2.3.3? ?施作超前小導管

噴射混凝土以確保初支面的平整度。根據(jù)開挖情況，在下循環(huán)開挖之前，在管棚間隙中施作超前小導管，形成雙向預加固體系，確保施工安全。

在超前支護完成后，采用三臺階預留核心土法進行開挖支護。采用少裝藥短進尺，以減小對地表土層的擾動。采用雙層鋼拱架以及加強鎖腳錨桿進行支護。在外層拱架腹板鉆孔并施作超前小導管，兩層拱架間采用連接筋焊接使其形成初支體系，以提高整個初支體系穩(wěn)定性。

2.3.4? ?增設排水板

根據(jù)地質情況，對地表及洞內沉降觀測點進行定期觀測[7]。待初期支護沉降穩(wěn)定后，增設排水板進行排水。當襯砌強度符合要求后，對極淺埋地表逐層夯填至設計高度，形成封閉層。

2.3.5? ?拱部加固

利用I20a臨時套拱實施加固，以確保安全。采用孔口管內偏心輪跟管工藝進行注漿，加固范圍為拱部15m范圍的采空區(qū)，每環(huán)布置7個鉆孔，環(huán)向間距為3m，鉆孔長度根據(jù)采空區(qū)高度進行調整。

3? ?實例應用分析

本文以實際地質情況為基礎，針對回采巷道頂板不同測點垂直位移量變化進行研究。預期目標為兩煤層間距控制在8mm以內時，有利于提升回采巷道的穩(wěn)定性。

3.1? ?建模

在采空區(qū)高度變化時，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對穿煤層下部煤層回采巷道的穩(wěn)定性進行模擬。將煤夾層厚度和采空區(qū)高度進行正交設計。

在建模過程中，在煤層回采巷道的頂板及兩側中點設置測量點，記錄該點的垂直位移。下部煤層回采巷道穩(wěn)定性模擬如表1所示。

3.2? ?位移量變化分析

采空區(qū)高度為12m時，下部煤層回采巷道開挖后，巷道頂板和兩側位移量在兩煤層層間距的變化如圖2所示。

由圖2可知，下部煤層回采巷道開挖后，煤層間距增加，頂板位移量逐漸減小并穩(wěn)定在0m。隨著采空區(qū)的高度增加時，下部煤層回采巷道的穩(wěn)定性，隨著上部煤層采空區(qū)高度的增大而逐漸增強，使得層間距控制在8mm范圍內，符合預期效果。上下煤層的層間距越大，回采巷道的穩(wěn)定性越強。

由此說明，運用本文施工技術能夠使煤柱的支承應力得到一定累積，使得向底板巖層中的傳遞應力增加，適用于煤層開采厚度較大的情況。

3.3? ?整體施工效果

通過采取嚴格的支護措施和合理的施工方法，以及調整采空區(qū)段落二次襯砌結構和布置防排水措施，確保了施工安全，降低了對周圍巖的擾動作用。

同時，在注漿過程中控制水灰比、注漿壓力和鋼花管的布置，提高了加固施工的效果。通過地表和洞內沉降觀測，對施工過程進行監(jiān)測和調整，確保了工程的安全和穩(wěn)定。

4? ?結束語

本文研究了高鐵隧道下穿煤層采空區(qū)的控制施工技術，主要內容包括采空區(qū)回采巷道布置、應力控制、支護方案確定以及隧道頂部采空區(qū)加固施工等。通過實例應用分析，證明了該技術的可行性和有效性，為類似工程提供了有益的參考和借鑒。但該設計還存在不足之處，如工期的不合理分配問題，收集現(xiàn)場施工資料的問題等。

今后在研究中，要根據(jù)地表調查和洞內出水情況，推進計劃過程中的各項任務，持續(xù)高效的進行安全施工。要科學制定反坡排水應急措施，降低施工風險，改良洞周土體，以提升施工過程中的經濟效益。要科學采用超前注漿堵水，全面推進施工生產，確保高鐵隧道下穿煤層采空區(qū)控制施工技術更高效，更安全的應用。

參考文獻

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